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Física e Meio Ambiente I
Autor: Alessandro Martins
UnidAde 1. BiosferA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .189
1 .1 Origem, estrutura e funcionamento da biosfera . . . . . .189
1 .2 Princípios físicos dos ciclos globais dos principais 
bioelementos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .198
1 .3 Atividades humanas e as mudanças nos ciclos globais dos 
principais bioelementos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .201
UnidAde 2. energiA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .205
2.1 Energia: definições . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .205
2 .2 O conceito de energia através da Física Clássica . . . . . .210
UnidAde 3. fontes de energiA . . . . . . . . . . . . .217
3 .1 Geração de energia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .217
3 .2 Energia solar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .218
3 .3 Energia de fontes hídricas . . . . . . . . . . . . . . . . . .222
 3 .4 Energia eólica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .227
3.5 Energia de fissão nuclear. Emprego e perspectivas . . . .227
3 .6 Energia de combustíveis fósseis (não renováveis) . . . . .231
UnidAde 4. Uso dA energiA . . . . . . . . . . . . . . . .236
4 .1 O uso de energia e poluição do ar . . . . . . . . . . . . . .236
4 .2 Aquecimento global . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .237
4 .3 Alternativas futuras de energia . . . . . . . . . . . . . . .240
4 .4 A política energética no Brasil . . . . . . . . . . . . . . . .246
Conclusão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .251
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188 Módulo 2
Introdução à disciplina
Olá, prezado(a) aluno(a) .
A proposta desta disciplina é apresentar um breve panorama sobre alguns proces-
sos físicos que regulam o funcionamento do nosso planeta . A abordagem começa com a 
descrição dos princípios físicos que envolvem os fenômenos conhecidos como ciclos glo-
bais de nutrientes ou ciclos biogeoquímicos, que reciclam os nutrientes necessários à vida 
dos organismos . Em seguida veremos a descrição da física por trás da produção e uso da 
energia e seus efeitos sobre nosso ambiente . De um modo geral, a disciplina será focada 
basicamente no conceito de energia, desde a sua definição, aos processos de conversão e 
recursos energéticos . 
Um ciclo biogeoquímico é o movimento ou o ciclo de um ou mais determinado ele-
mentos químicos através da atmosfera, hidrosfera, litosfera . São várias etapas, envolvendo 
fenômenos físicos e químicos e trocas energéticas. Sendo a biosfera resultante das relações 
existentes entre a atmosfera, a hidrosfera e a litosfera, a compreensão dos seus mecanismos 
de funcionamento é fundamental ao nosso curso . O estudo dos ciclos biogeoquímicos se 
torna cada vez mais importante para avaliar, por exemplo, o impacto ambiental que um 
material potencialmente perigoso possa vir a causar no meio ambiente e nos seres vivos 
que dependem direta ou indiretamente desse meio para garantir a sua sobrevivência .
A caracterização das diferentes fontes de energia, seus efeitos sobre nosso ambiente 
e sua importância sócio-econômica são também essenciais ao nosso conteúdo . O estudo 
sobre as tecnologias energéticas atuais e suas implicações de uso quanto ao impacto am-
biental (inclusive nos ciclos biogeoquímicos) e desenvolvimento econômico se tornam per-
tinente em meio às atuais discussões na mídia sobre o tema preservação do meio ambiente. 
A melhor forma de entender as conseqüências das atuais e futuras alternativas energéticas 
e suas conseqüentes mudanças ambientais é compreender os princípios científicos envol-
vidos . A conexão energia - meio ambiente tem sido o objeto de muitos estudos e algumas 
vezes é possível estabelecer uma relação de causa e efeito entre o uso da energia e os danos 
ao meio ambiente .
Na abordagem dos princípios físicos por trás dos fenômenos que regulam os ciclos 
globais, bem como do modo de produção de energia em suas várias formas, serão explo-
rados conceitos básicos de mecânica, eletromagnetismo, termodinâmica, física atômica e 
nuclear, de forma conceitual e com mínima utilização de matemática . A idéia é fornecer 
os conteúdos que permitirão ao estudante dominar os conceitos físicos básicos necessários 
para a compreensão dos aspectos tecnológicos dos sistemas energéticos . 
Esperamos que ao final deste curso você tenha adquirido uma capacidade de análi-
se e de reflexão em tópicos de energia, meio ambiente e desenvolvimento. 
Bom estudo e boa sorte!
Alessandro Martins
Curso de Licenciatura em física 189
Olá, estudante .
Esta unidade tem como objetivo apresentar alguns dos mecanismos de funciona-
mento do nosso planeta . Abordaremos inicialmente a origem do planeta Terra e as suas 
características físicas, os tipos de compartimentos de natureza física do planeta e suas 
interações receberão um olhar especial.
Na seqüência, será apresentada a descrição dos processos físicos dos principais ci-
clos biogeoquímicos. E por fim você estudará algumas ações provocadas pelo ser humano 
que alteram o equilíbrio dos ciclos biogeoquímicos . 
Há algumas perguntas e sugestões de atividades durante o texto, responda às ques-
tões e realize as atividades para garantir o melhor aproveitamento.
Bom estudo!
1.1 origem, estrutura e 
funcionamento da biosfera
Ao iniciar os estudos sobre os mecanismos de funcionamento do nosso planeta, é 
de suma importância descrevermos inicialmente sua origem e características físicas . Uma 
descrição física requer, antes de tudo, identificar os parâmetros relevantes.
Quando e como se formou o planeta Terra? Em 1654, um arcebispo irlandês de nome 
James Ussher calculou, com base em textos bíblicos, que a Terra teria se formado às 9 horas 
do dia 26 de outubro de 4 .004 a .C .
Hoje, por meio de dados científicos, sabemos que a Terra tem em torno de 4,5 bi-
lhões de anos. O planeta teria se formado pela agregação de poeira cósmica em rotação 
sendo aquecida, posteriormente, com violentas reações químicas. O aumento da massa 
agregada e da força gravitacional catalisou impactos de corpos maiores. Colisões de as-
teróides, cometas e outros corpos celestes com a superfície geraram adicional calor, ao 
Unidade 1. Biosfera
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190 Módulo 2
mesmo tempo em que processos de decaimento radioativo aqueciam o interior do planeta . 
A força gravitacional possibilitou a retenção de gases constituindo uma atmosfera primiti-
va . Esse envoltório atmosférico primordial atuou como isolante térmico, o que permitiu a 
criação de um ambiente tão quente onde se processou a fundição de metais, possibilitando 
a constituição da estrutura interna do planeta . 
A partir do resfriamento superficial do magma, consolidaram-se as primeiras ro-
chas, chamadas magmáticas ou ígneas, dando origem a estrutura geológica denominado 
escudos cristalinos ou maciços antigos . Formou-se, assim, a crosta terrestre . A liberação 
de gases decorrente da volatização da matéria sólida devido a altas temperaturas e com 
o resfriamento posterior originou a camada atmosférica, responsável pela ocorrência das 
primeiras chuvas e pela formação de lagos e mares nas áreas rebaixadas . Assim, iniciou-
se o processo de intemperismo (decomposição das rochas) responsável pela formação dos 
solos e conseqüente início da erosão e da sedimentação . 
É importante salientar que apesar da Terra ter esfriado após um período de incandes-
cência, atividades geológicas tais como terremotos, vulcões e glaciações mostram a inquieta-
ção do planeta. Essas atividades geológicas são governadas por dois mecanismos térmicos:
a) Mecanismo térmico interno: é governado pela energia térmica aprisionada du-
rante a origem cataclísmica do planeta . Foi gerada pela radioatividade em seus níveis mais 
profundos . O calor interior controla os movimentos no manto e no núcleo, suprindo ener-
gia para fundir rochas, mover continentes e soerguer montanhas;
b) Mecanismo térmico externo: é controlado pela radiação solar . A luz do Sol é um 
conjunto de radiações eletromagnéticas, uma forma de propagação da energia pelo espaço 
como uma onda, sem a necessidade da existência de um meio material ou de partículas que 
oscilem para promover essa propagação . O calor proveniente desta radiação energiza a atmos-
fera e os oceanos e é responsável pelo nosso clima e as condições meteorológicas do tempo.
saiba mais
Veja mais informações sobre as características da radiação solar na unidade 5 da sua apos-
tila da disciplina temas transversais . 
Mecanismos de troca de energia da Terra com o meio vizinho.
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Curso de Licenciatura em física 191
física e Meio Ambiente i
Em termos gerais, podemos pensar a Terra como três compartimentos de natureza 
física diferentes e que interagem de forma complexa:
a) Atmosfera: uma questão que surge sempre que começamos a estudar a atmos-
fera é: Qual é seu limite superior? Ou seja, até onde vai a atmosfera? A resposta depende 
do interesse específico em questão. No senso comum, uma altitude de 30 km em torno da 
Terra envolveria 99% dela . Mas se considerarmos a propagação de ondas eletromagnéti-
cas, é necessário pensar uma atmosfera com pelo menos 100 km de altura. A atmosfera 
é formada basicamente de nitrogênio 78%, oxigênio 21% e outros gases 1% Possui uma 
camada interna conhecida como troposfera, que contém a maior parte do ar do planeta, e 
que se estende por cerca de 17 km acima do nível do mar. De 17 a 50 km acima do nível do 
mar, temos a estratosfera . Sua porção inferior contém o ozônio (O3) que serve para filtrar 
a nociva radiação ultravioleta do Sol, o que permite que exista vida na porção terrestre e 
nas camadas superficiais aquáticas. Mais acima temos a mesosfera, cujo topo fica a 85 km 
do solo sendo muita fria . A termosfera fica a cerca de 110 km acima da superfície da Terra 
e a exosfera, a parte externa da atmosfera, tem ar muito rarefeito e as moléculas de gás 
“escapam” constantemente para o espaço . 
A temperatura atmosférica é reduzida com o aumento da altura na troposfera, vol-
tando a crescer novamente na estratosfera porque as moléculas de ozônio absorvem a ra-
diação solar . A temperatura diminui outra vez na mesosfera, e então na camada posterior, 
a termosfera, a temperatura aumenta devido a absorção de radiação solar na forma de 
radiação ultravioleta, raios-X e raios gama . 
Composição química da atmosfera 
a) A temperatura da atmosfera é 
uma complicada função da altitude. 
Abaixo de uma altitude de 10 km 
(troposfera) a temperatura diminui 
de 290 K para 215 K enquanto a 
altitude aumenta. Na estratosfera 
(10 km - 50 km) a temperatura 
aumenta de 215 K para 275 K. 
Na mesosfera (50 km - 85 km) a 
temperatura diminui (275 K para 
190 K) e na termosfera (> 85 km) 
a temperatura aumenta. 
b) A variação da pressão com a alti-
tude é mais simples: a pressão dimi-
nui enquanto a altitude aumenta.
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192 Módulo 2
Quando um time brasileiro de futebol, seja a seleção ou um clube, joga contra outra 
em cidades com altas atitudes, como Quito (Equador) ou La Paz (Bolívia) por exemplo, a 
imprensa enfatiza o que se costuma chamar de “efeito da altitude” . Dizem que nossos joga-
dores renderem menos fisicamente, que a bola adquire uma velocidade diferente. Será que 
essas preocupações têm fundamento? Vejamos parte do que foi publicado no jornal Folha 
de São Paulo em sua edição de 07/05/2008:
técnico Parreira se exalta contra altitude de La Paz
Carlos Alberto Parreira reclamou mais do que os jogadores dos efeitos da altitude de La Paz. Culpou 
o fato de a cidade boliviana ficar a 3.600 m acima do nível do mar pelo empate por 1 a 1. Ao ser 
questionado por um repórter boliviano sobre a equipe adversária, o treinador afirmou que a altitu-
de foi a maior arma. Os jogadores disseram que muitos sentiram dor de cabeça, principalmente no 
aquecimento...
Fonte: Folha On-line: disponível em: http://www1.folha.uol.com.br/folha/esporte/ult92u94237.
shtml. Acesso em 07 mai. 2008.
A justificativa para o efeito baixo rendimento dos atletas, pouco adaptados às con-
dições atmosféricas em altas altitudes, tem por base os conceitos de densidade e pressão, 
que serão melhor estudados nas disciplina Mecânica II . Ao contrário do que ocorre com 
a temperatura, tanto a densidade quanto a pressão atmosférica diminuem continuamente 
com a altura. Observando o gráfico temos informações quantitativa e qualitativa do com-
portamento da pressão em função da altura (semelhante para densidade). Verificamos que 
a pressão cai rapidamente com a altura. Acima de 4 km de altura, a densidade se reduz de 
tal forma que seria praticamente impossível conseguirmos respirar pela baixa quantidade 
gases como o oxigênio .
b) Hidrosfera: é formada pela água da Terra que circula nos oceanos, continentes, 
geleiras e atmosfera . Os oceanos cobrem 71% da Terra e contêm 97,5 % de toda sua água . 
Correntes oceânicas transportam calor através de vastas distâncias, alterando o clima glo-
bal . Aproximadamente 1,8% da água da Terra está congelada nas geleiras, que, apesar de 
cobrirem cerca de 10% da superfície terrestre atualmente, já cobriram uma porção muito 
maior do globo a 18 .000 anos atrás . 
Somente 0,64% da água do globo existe nos continentes em estado líquido . Embora 
seja uma pequena porção, essa água fresca é essencial para vida na Terra . Lagos, rios e 
córregos são visíveis reservatórios de água continental, mas constituem somente 0,01% do 
total . Em contraste, lençóis de água são muito mais abundantes e representam 0,63% da 
água existente no planeta . Uma minúscula quantidade de 0,001% existe na atmosfera, po-
rém esta água é tão móbil que afeta profundamente as condições climáticas do planeta. 
 c) Litosfera: representa a camada superficial sólida. A espessura da litosfera varia 
entre 5 e 10 km sob os oceanos e 25 e 90km nos continentes, a crosta e o manto superior 
terrestres . Ela não é contínua, mas sua crosta é formada por vários blocos de rochas cha-
mados de placas tectônicas, que se encaixam umas nas outras como na montagem de um 
grande quebra-cabeça cujo plano de encaixe é o manto, zona de grande plasticidade . Nos 
movimentos e colisões dessas placas, são liberadas grandes quantidades de energia. Esse 
choques são responsáveis por fenômenos naturais como terremotos, maremotos, erupções 
vulcânicas .
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Curso de Licenciatura em física 193
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sugestão de atividade:
Faça uma descrição física do relevo da sua região . Junte a essa descrição dados relativos 
ao ponto mais elevado, índice pluviométrico, pressão atmosférica e temperatura média 
traçando um perfil físico de onde você mora.
1.1.1 origem dos elementos e dos compartimentos 
da atmosfera, litosfera e hidrosfera.
De acordo com a hipótese da desgaseificação, os gases constituintes da atmosfera primi-
tiva tiveram origem no interior da Terra . Então, como esses gases teriam atingido a superfície?
Os gases que teriam sido originados no interior da Terra atingiram a superfície atra-
vés dos vulcões, processo esse conhecido por desgaseificação vulcânica.
Estrutura da Terra.
Diagrama esquemático do processo de desgaseificação vulcânica.
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194 Módulo 2
Após o período transitório da acreção, o planeta sofreu um grande aquecimento, 
que conduziu a profundas alterações na sua atmosfera. Por isso e por a Terra não possuir 
gravidade suficiente, os gases voláteis, como o hidrogênio (H), o hélio (He) e outros, esca-
param para o espaço .
A Ciência atualmente acredita que a atmosferaprimitiva do planeta seria consti-
tuída por azoto (N2), vapor de água (H2O), dióxido de carbono (CO2), amoníaco (NH3), 
metano (CH4) e hidrogênio (H2), libertados durante as intensas erupções vulcânicas que 
caracterizaram este período .
Qual é a principal diferença entre esta atmosfera primitiva e a atmosfera atual da 
Terra? O fato de a primeira não possuir oxigênio livre (O2) . Veja as hipóteses para a disso-
ciação química dos gases:
a. A água (H2O) teria igualmente sofrido o efeito da fotodissociação, com libertação 
de oxigênio e hidrogênio;
b. Admite-se que o metano (CH4) pudesse ter sido substituído pelo dióxido de carbono;
c. O amoníano (NH3) teria se fotodissociado originando N2 e H .
saiba mais
Na Física, a teoria quântica prevê que a energia transmitida por radiação eletromagnética 
existe em unidades discretas chamadas fótons . Desse modo, a idéia é que a energia é quan-
tizada. Ao contrário da massa, ela existe apenas em “pacotes” bem definidos, com valores 
múltiplos do valor do “pacote unitário” .
A energia de um fóton é dada por: 
E = hν = hc/λ 
onde ν é a freqüência da radiação (em s-1 ou Hertz), h é conhecida como a constante de 
Planck, cujo o valor é 6,626 x 10-34 Joules por segundo (J.s). A quantidade de energia con-
tida num fóton de radiação é inversamente proporcional ao comprimento de onda da ra-
diação (ν = c/λ ). Desse modo, quanto maior a freqüência, menor o comprimento de onda e 
maior a energia de radiação . Assim, ao longo do espectro eletromagnético, cada radiação 
é caracterizada por um comprimento de onda, uma freqüência e, conseqüentemente, por 
uma energia de fótons . 
A interação de uma radiação com um meio é uma interação entre fótons da radiação e 
átomos ou moléculas do meio . Para que haja transferência de energia da radiação, é neces-
sário que a energia dos fótons incidentes seja igual aos intervalos da estrutura de energia 
da molécula . De um modo geral, a interação ocorre sempre entre um fóton e um átomo ou 
molécula . Quando um tipo de radiação com fótons de uma certa energia incide, por exem-
plo, sobre uma estrutura de uma molécula que não possui intervalo de energia equivalente 
a radiação, ela não é absorvida pelo meio . 
Uma ilustração é quando a radiação solar incide sobre a folha de uma planta . Grande par-
te da radiação é refletida e uma pequena parte é absorvida. Para que haja absorção, é 
necessário que na composição da folha haja moléculas com níveis de energia capazes de 
absorver os fótons da luz visível, ultravioleta ou infravermelha presentes na radiação so-
lar (moléculas de clorofila são capazes de absorver fótons com energias correspondentes 
a comprimentos de onda em torno de 420 nm (azul) ou em torno de 680 nm (vermelho), 
sendo que da parte não absorvida, o verde, determina a aparência das folhas . 
Algumas moléculas, como o CO2, H2O e O3, podem absorver ou emitir um fóton de ra-
diação eletromagnética . Desse modo, uma determinada molécula pode ser “quebrada” em 
seus componentes atômicos caso absorva uma radiação com determinada energia de fó-
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física e Meio Ambiente i
tons suficiente para permitir o rompimento da estrutura eletrônica. Este fenômeno é deno-
minado fotodissociação . Do mesmo modo, átomos instáveis podem também combinar-se 
para formar moléculas mais estáveis, liberando energia em excesso na forma de radiação . 
Como exemplo, na atmosfera superior, a fotodissociação provoca a formação de átomos de 
oxigênio:
O2 + hν  2O 
Os átomos podem também ser ionizados por radiação eletromagnética de energia alta . 
Este processo, chamado fotoionização, requer fótons com suficiente energia para arrancar 
um ou mais dos elétrons de suas órbitas . 
E como se explica o aparecimento de oxigênio na atmosfera? A capacidade de al-
guns seres vivos realizarem a fotossíntese deve ter permitido o aparecimento de oxigênio 
na atmosfera. Parece ter sido um grupo específico de bactérias, as cianobactérias, os pri-
meiros organismos a realizar este processo biológico de extrema importância .
Em dado momento, os oceanos perderam a capacidade de fixar todo o oxigênio 
molecular resultante da fot ossíntese, que começou a dissipar-se na atmosfera . Passou-se 
assim de uma atmosfera anaeróbia (sem oxigênio) para uma aeróbia (com oxigênio) .
Quando a atmosfera atingiu uma concentração suficientemente elevada de oxigênio 
livre (cerca de 10% da atual) formou-se o que é conhecido por camada de ozônio (O3) . 
Como é o processo de formação e decomposição do O3 na atmosfera? A maior parte 
do ozônio está presente na estratrofera (concentração máxima de ozônio a uma altitude de 
20 km). Veja o mecanismo de formação do ozônio.
Estas reações prosseguem com a velocidade de formação de ozônio igual à sua veloci-
dade de decomposição . Há assim um equilíbrio dinâmico entre a formação e o consumo de 
ozônio que, em princípio, deveria manter constante a concentração de ozônio na atmosfera .
Qual terá sido a importância da camada de ozônio para a evolução da vida na Terra? 
A camada do ozônio tem a particularidade de filtrar a energia solar e, deste modo, proteger 
superfície terrestre das radiações ultravioleta. 
Mecanismo de formação do ozônio na atmosfera. 
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196 Módulo 2
A camada de ozônio e a elevada concentração de pequenas quantidades de certos 
gases na atmosfera - vapor d’água (H2O), dióxido de carbono (CO2), metano (CH4) e óxido 
nitroso (N2O) etc . - desempenham um papel fundamental na determinação das temperatu-
ras médias da Terra e, conseqüentemente, de seus climas . Esses gases permitem que a luz 
visível e alguma radiação infravermelha e ultravioleta (UV) da energia solar atravessem a 
troposfera . Grande parte dessa energia solar é absorvida pela superfície terrestre e trans-
formada em radiação infravermelha (calor), que é re-transmitida à troposfera . Parte desse 
calor escapa para o espaço, porém, outra parte aquece a troposfera e a superfície terrestre . 
Esse efeito de aquecimento natural é conhecido como efeito estufa . Sem o efeito estufa, a 
Terra seria mais fria . 
1.1.2 Biosfera: origem e evolução
A Biosfera é a zona habitada por vida orgânica. É definida como uma região re-
sultante das relações existentes entre a atmosfera, a hidrosfera e a litosfera. Dois tipos de 
componentes formam a biosfera e seus ecossistemas:
d. componentes abióticos ou não vivos: Água, ar, nutrientes e a energia solar;
e. componentes biológicos, bióticos ou vivos: Plantas, animais e micróbios . 
Quais fatores servem de suporte para a vida na Terra? Dentre os múltiplos fatores 
que sustentam a vida na Terra, três são extremamente importantes para sua dinâmica e 
sobrevivência:
1. energia solar: o fluxo de energia proveniente do Sol passa pela biosfera, aquece 
a atmosfera, evapora e recicla a água e gera as correntes de ar . Cerca de uma bi-
lionésima parte da energia solar, na forma de radiação eletromagnética e em sua 
maioria como luz visível, atinge a Terra. A maior parte dessa energia é refletida 
de volta ao espaço ou absorvida pelos elementos químicos na atmosfera .
Representação do papel desempenhado pela Camada de ozônio (IV – radiação 
infravermelha; VIS – radiação visível; UV – radiação ultravioleta).
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saiba mais
Lembre-se que você já estudou a natureza da radiação eletromagnética, incluindo suas 
várias formas, como espectro eletromagnético . Caso seja necessário, reveja este tópico da 
unidade 5 da disciplina Temas Transversais .
2. Ciclo de matéria: ciclo de átomos, íons ou moléculas, componentes necessários 
para a sobrevivência dos organismos vivos através de partes da biosfera . Consi-
derando a Terra um sistema fechado para entrada de quantidade significativa de 
matéria vinda do espaço, sua quantia fixa de suprimento de nutrientes deve ser 
continuamente reciclada para o sustento da vida . Os trajetos de ida e volta dos 
nutrientes são observados nos ecossistemas .3. gravidade: este fator possibilita à Terra a retenção dos gases que formam a sua 
atmosfera e possibilita o movimento do elementos químicos entre ar, água, solo 
e os organismos nos ciclos de matéria . A massa da Terra é adequada para que o 
campo gravitacional gerado seja suficiente para manter liqüefeito seu núcleo de 
ferro e níquel e impedir que as moléculas de gases leves (N2, O2, CO2, H2O etc .) 
presentes na atmosfera escapem para o espaço .
sugestão de atividade
A superfície da Terra é mais aquecida pela energia solar na região do equador do que nos 
pólos devido a direção de incidência dos raios e consequentemente do seu espalhamento 
sobre a respectiva área. Faça um teste, verifique o efeito iluminando, em uma sala escura, 
com uma lanterna, o meio de um objeto esferico, como uma bola de futebol, e movendo a 
luz para cima e para baixo . 
É possível afirmar que ao longo do processo evolutivo da Terra, atmosfera, litosfera, 
hidrosfera e biosfera estiveram interdependentes? Já estudamos que foram os primeiros 
organismos fotossintéticos que permitiram a evolução da atmosfera . Em contrapartida, foi 
a evolução da atmosfera, ou seja, a existência de oxigênio livre e a constituição da camada 
de ozônio, que permitiu que a vida, ou biosfera, evoluísse . 
Porcentagem de Energia Solar incidente sobre a Terra que é 
absorvida, refletida ou espalhada.
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198 Módulo 2
1.2 Princípios físicos dos ciclos globais 
dos principais bioelementos
O que caracteriza um ciclo? A noção de ciclo corresponde a um processo repetitivo 
em que o sistema retorna ao estado de partida sendo que as condições iniciais de um dado 
ciclo são equivalentes às condições finais do ciclo precedente. 
Os ciclos globais ou ciclos biogeoquímicos são processos naturais que reciclam nu-
trientes por meio do ar, da terra, da água e de organismos vivos para garantir a vida . Depois 
ocorre o processo contrário, ou seja, os ciclos buscam esses elementos nos organismos e 
devolvem ao meio ambiente . Dessa forma, a água, o carbono, o oxigênio, o nitrogênio, o fós-
foro, o cálcio, entre outros elementos, percorrem esses ciclos, unindo todos os componentes 
vivos e não-vivos da Terra . Alguns átomos de carbono na sua pele, por exemplo, podem ter 
sido parte de uma folha, da pele de um mamute, ou de uma camada de pedra calcária . 
1.2.1 Processos e reações: ciclos biogeoquímicos 
globais e suas interações
Sendo o planeta Terra um sistema dinâmico e em constante evolução, o movimento 
e a estocagem de seus materiais afetam todos os processos físicos, químicos e biológicos . 
As substâncias são continuamente transformadas durante a composição e a decomposição 
da matéria orgânica, sem escapar da biosfera, sendo, portanto recicláveis .
Um ciclo biogeoquímico pode ser entendido como sendo o movimento de um deter-
minado elemento químico através da atmosfera, hidrosfera, litosfera e biosfera da Terra . Estes 
ciclos estão intimamente relacionados aos processos geológicos, hidrológicos e biológicos . 
Dentre os vários tipos de ciclos, os mais importantes .
a) Ciclo da água: o ciclo hidrológico ou ciclo da água, coleta, purifica e distribui o 
suprimento fixo de água da Terra. Embora a água não seja um elemento químico, e sim 
uma substância composta de dois átomos de hidrogênio e um oxigênio, estudaremos o seu 
ciclo pelo fato de ela estar intimamente associada a todos os processos metabólicos . 
Do ponto de vista da energia, o fluxo de energia incidente, proveniente do Sol, pode 
promover a mudança de estado, colocando a água “em movimento”, num ciclo de evapo-
ração e condensação . É importante citar que a quantidade de água total existente pode 
ser considerada constante, já que não há nem entrada nem saída de água para o espaço 
cósmico . 
O ciclo da água envolve a evaporação ou sublimação, a condensação e a precipitação 
da água . Este é considerado um ciclo de renovação natural da qualidade da água, pois a 
evaporação e subseqüente precipitação atuam como processo de destilação, removendo as 
impurezas dissolvidas na água . O geral o ciclo da água pode divido em dois: 
No pequeno ciclo a água dos oceanos, lagos, rios, geleiras e mesmo a embebida no 
solo sofre evaporação pela ação da energia solar e passa à forma de vapor, dando origem às 
nuvens . Nas camadas mais altas da atmosfera, o vapor d’água sofre condensação, e a água 
líquida volta à crosta terrestre na forma de chuva;
No grande ciclo a água é absorvida pelos seres vivos e participa de seu metabo-
lismo, sendo posteriormente devolvida para o ambiente . Como a água dissolve inúmeros 
compostos de nutriente, torna-se importante meio de transporte de nutrientes entre os 
ecossistemas e dentro deles .
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Curso de Licenciatura em física 199
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Como se forma uma nuvem? A origem de uma nuvem está na energia que é irra-
diada pelo Sol atingindo a superfície de nosso planeta . Este calor evapora a água que sobe 
por ser menos densa que o ar ao nível do mar. Ao encontrar regiões mais frias da atmos-
fera o vapor se condensa formando minúsculas gotinhas de águas que compõem então 
as nuvens . A condensação do vapor de água em gotas de água geralmente exige que o ar 
contenha minúsculas partículas suspensas de material como poeira, fumaça, sal do mar 
ou cinza vulcânica . Esses núcleos de condensação fornecem as superfícies sobre as quais 
as gotículas de água podem se formar e se aglomerar . 
b) Ciclo do carbono: o carbono é um elemento químico de grande importância para 
os seres vivos, pois participa da composição de todos os componentes orgânicos e de uma 
grande parcela dos inorgânicos também . O carbono existe na atmosfera como CO2, um 
componente chave do termostato da natureza . Se o ciclo do carbono remove muito CO2 
da atmosfera, ela esfria . De outro modo, se o ciclo gera um excesso de CO2, atmosfera 
esquenta. Desse modo, mesmo pequenas alterações nesse ciclo podem afetar o clima e, 
conseqüentemente, as formas de vida existentes . 
Você estudará a descrição completa dos mecanismos percorridos pelo carbono nos 
reino vegetal e animal na disciplina Química Geral .
Existe uma quantidade de átomos de carbono que levam milhares de anos para se-
rem reciclados . Depósitos enterrados de matéria orgânica, como plantas mortas, bactérias 
etc ., são comprimidas entre camadas de sedimentos, onde formam os chamados combus-
tíveis fósseis contendo carbono, como carvão e petróleo . Esse carbono só é liberado na 
atmosfera na forma de CO2 para reciclagem se os combustíveis forem extraídos e consumi-
dos, ou se processos geológicos os exponham ao ar atmosférico . 
 9 - Representação esquemática do ciclo da água. 
ciclo do carbono
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200 Módulo 2
sugestão de atividade
Pesquise sobre quais são os maiores reservatórios e fluxos de carbono no meio ambiente? 
c) Ciclo do nitrogênio: o nitrogênio é indispensável à vida, uma vez que entra na 
constituição das proteínas e ácidos nucléicos . Admite-se que 16% do corpo humano é cons-
tituído por proteínas . A mais importante fonte de nitrogênio é a atmosfera (grande parte 
do volume da troposfera) . Cerca de 78% do ar é formado por nitrogênio livre (N2) , mas a 
maioria dos seres vivos é incapaz de aproveitá-lo no seu metabolismo . O N2 na atmosfera 
é uma molécula estável, ou seja, não reage facilmente como os outros elementos, assim 
não pode ser absorvido e utilizado diretamente como nutriente por plantas ou animais 
multicelulares . 
Os únicos seres que fixam o nitrogênio são bactérias, cianobactérias e fungos por 
apresentarem enzimas apropriadas para essa função . Porém, descargas elétricas atmosfé-
ricas na forma de relâmpagos e alguns tipos de bactérias nos sistemas aquáticos, no solo e 
nas raízes de algumas plantas podem converter o N2 em compostos úteis como nutrientes 
para plantas e animais, o que ocasiona no efeito conhecido como ciclo do nitrogênio .
saiba mais
Descargas elétricas atmosféricas na forma de relâmpagos provocam, por onde passam, aquebra das moléculas existentes na atmosfera . Após o fenômeno, essas moléculas recom-
binam-se de diferentes maneiras, formando novos compostos e assim alterando a química 
da atmosfera . A temperatura ao longo do canal de um relâmpago alcança dezenas de mi-
lhares de graus celsius .
ciclo do nitrogênio.
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M2MA
Curso de Licenciatura em física 201
física e Meio Ambiente i
1.3 Atividades humanas e as mudanças nos 
ciclos globais dos principais bioelementos
O equilíbrio alcançado pela natureza foi desenvolvido por meio de um lento e gra-
dual processo de ajuste entre os seres vivos e o ambiente, que resultou na harmoniosa 
interação entre vida e meio físico . Os ciclos biogeoquímicos mostram como essa harmonia, 
pois mesmo retirando grandes quantidades de recursos do ambiente, os seres vivos aca-
bam, de uma forma ou de outra, devolvendo esses elementos ao meio, o que permite uma 
contínua renovação da vida .
Esta visão de uma natureza equilibrada, capaz de resistir a tudo, não faz mais parte 
do pensamento do homem moderno . O bom senso aliado a um pensamento crítico per-
mite identificar que a natureza aceita as mudanças impostas pelo homem até certo limite, 
depois dele começa sua reação .
Devido a visão de que a natureza é uma fonte de recursos inesgotáveis e sempre 
capaz de se renovar, o homem tem interferido de maneira tão excessiva no ambiente que 
põe em risco sua própria estabilidade.
1.3.1 O papel das perturbações naturais e 
antrópicas nos ciclos biogeoquímicos
Nos últimos cem anos a humanidade tem alterado o ciclo da água consumindo 
grande quantidade de água doce, removendo a vegetação e causando a erosão dos solos, 
bem como poluindo tantos as águas na superfície quanto no subsolo .
Com a Revolução Industrial, há 200 anos, iniciou-se de forma maciça a queima de 
combustíveis fósseis (carvão, gás e petróleo) . Atualmente, a queima desses combustíveis 
adiciona à atmosfera 22 bilhões de toneladas de CO2 por ano, o equivalente a 6 bilhões de 
toneladas de carbono por ano. Simultaneamente, com a explosão demográfica, intensifi-
caram-se muito as operações de desflorestamento com vistas a beneficiar a construção, 
produção de combustíveis e agricultura . Estima-se que estas atividades adicionem à at-
mosfera entre 1,6 e 2,7 bilhões de toneladas de carbono por ano. A queima de combustí-
veis fósseis e a remoção sem replantio da vegetação responsável pela fotossíntese revelam 
indícios de mudança no ciclo do carbono . Percebe-se o aumento da temperatura média da 
Terra, devido a adição de CO2 em excesso na atmosfera .
As ações antrópicas também têm provocado mudanças no ciclo do nitrogênio, que 
envolvem o óxido nitroso N2O. Ajustes globais tão drásticos quanto no ciclo do carbono . 
O N2O tem sido adicionado de forma excessiva à atmosfera por meio de fertilizantes inor-
Poluição de águas na superfície do planeta por esgotos urbanos.
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M2MA
202 Módulo 2
www.
gânicos comerciais aplicados no solo . Em 1950, produzia-se e aplicava-se no mundo cerca 
de 3 milhões de toneladas de fertilizantes artificiais de nitrogênio anualmente. Hoje, esse 
total passa de 50 milhões de toneladas. É importante ressaltar que o oxido nitroso (N2O) 
também provoca o efeito de estufa . A concentração de N2O na atmosfera tem aumentado 
0,25 % ao ano, sendo os solos tropicais os maiores responsáveis pela emissão de N2O em 
ecossistemas terrestres naturais . 
Por outro lado, a queima de combustíveis fósseis a altas temperaturas combina N2 
e O2 adicionando grandes quantidades de óxido nítrico (NO) na atmosfera . O gás NO na 
atmosfera pode ser convertido em dióxido de nitrogênio (NO2) e em ácido nítrico (HNO3), 
que retornam à superfície da Terra na forma da prejudicial e conhecida chuva ácida .
saiba mais
Aproveite essas dicas para ir além nos seus estudo em física. 
TEIXEIRA, W . et al . Decifrando a Terra. São Paulo: Oficina de Textos, 2003.
NELSON, F ., BORBA, G . L ., ABREU, L . R ., Ciências da Natureza e Realidade: interdisciplinar . 
Natal: EDUFRN Editora da UFRN, 2005 .
Dicionário Aurélio da língua portuguesa . Rio de Janeiro: Ed . Nova Fronteira, 1999 .
Dicionário Michaelis, Português, ED . Melhoramentos, São Paulo, 1995 .
na web você pode ver também:
Serviço Geológico do Brasil disponível em: www.cprm.gov.br 
Schlumberger Excellence in Educational Development disponível em:
www.seed.slb.com/pt/.
www.coladaweb.com/biologia/ciclosbiogeoquimicos.htm .
Wikipedia disponível em: pt.wikipedia.org/wiki/Ciclo_do_carbono.
Centro de Previsão de Tempo e Estudos Climáticos - CPTEC, do Instituto Nacional de Pes-
quisas Espaciais (INPE) disponível em: www7.cptec.inpe.br/ 
Ciência Hoje disponível em: www.cienciahoje.uol.com.br/3435 .
www.slideshare.net/diegobolano/ciclos-biogeoqumicos-348022
www.seed.slb.com/pt/scictr/watch/climate_change/carbon.htm
www.abrh.org.br 
www.ecoambinetal.com.br
www.ambienteglobal.com.br 
Gráfico onde é 
possível verificar 
que a temperatura 
global média tem 
aumentado nos 
últimos 150 anos. 
Fonte: http://www.
seed.slb.com/pt/
scictr/watch/climate_
change/change.htm
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M2MA
Curso de Licenciatura em física 203
física e Meio Ambiente i
www.ibama.gov.br 
www.mma.gov.br 
www.fgaia.org.br
www.abes-dn.org.br
www.aguaonline.com.br 
www.ambientebrasil.com.br 
www.sema.rs.gov.br 
www.ecobrasil.org.br 
www.saneamentobasico.com.br 
www.folhadomeioambiente.com.br 
www.gaia-org.com.br
glossário 
 ■ Acreção: é uma acumulação de matéria na superfície de um astro, proveniente do meio 
circundante . A ciência acredita que esse processo teve um papel importante na formação 
dos planetas a partir da atração gravitacional entre as partículas .
 ■ Aqüíferos: é uma formação ou grupo de formações geológicas que pode armazenar água 
subterrânea . São rochas porosas e permeáveis, capazes de reter água e de cedê-la .
 ■ Autótrofos: são os seres que podem, partindo de produtos minerais simples, produzir os 
seus próprios alimentos, que são substâncias orgânicas mais ou menos elaboradas .
 ■ Cianobactérias: muito conhecidas como algas azuis, as cianobactérias apresentam, ao 
mesmo tempo, características de algas e de bactérias . A característica que as assemelham 
às algas é a possibilidade de fazer fotossíntese e, ao mesmo tempo, são microorganismos 
procarióticos, ou seja, sua estrutura celular corresponde à célula de uma bactéria . As cia-
nobactérias foram os principais produtores primários da biosfera durante mais ou menos 
1.500 milhões de anos, e continuam sendo nos oceanos. 
 ■ ecossistema: podemos descrever um ecossistema como o conjunto de uma comunidade 
de diferentes espécies (plantas, animais e microrganismos) interagindo umas com as ou-
tras e com seu meio físico de matéria e energia . Desse modo, fazem parte também de um 
ecossistema todos os componentes abióticos (sem vida) como, por exemplo, minerais, íons, 
compostos orgânicos e clima (temperatura, precipitações e outros fatores físicos).
 ■ fotossíntese: é o processo através do qual as plantas, seres autotróficos, e alguns outros 
organismos transformam energia luminosa em energia química, processando o dióxido 
de carbono (CO2), água (H2O) e minerais em compostos orgânicos e produzindo oxigê-
nio gasoso (O2) .
 ■ gravidade: representa a força de atração mútua que corpos materiais exercem uns sobre 
os outros. Classicamente, é descrita pela Lei da Gravitação Universal de Newton. 
 ■ intemperismo: é o processo pelo qual as rochas da superfície terrestre são alteradas ou 
levadas à desintegração pela ação do vento, da água, do clima, ou ainda, por reações quí-
micas ou biológicas .
 ■ Manto: O manto é a camada da estrutura da Terra que fica diretamente abaixo da cros-
ta, prolongando-se em profundidade até o limite exterior do núcleo . O manto terrestre 
estende-se por cerca de 30 km de profundidade (podendo ser bastante menos nas zonas 
oceânicas) até aos 2900 km abaixo da superfície (transição para o núcleo).
 ■ radioatividade: é um fenômeno natural ou artificial, pelo qual algumas substâncias ouelementos químicos, chamados radioativos, são capazes de emitir radiações. As radiações 
têm as propriedades de impressionar placas fotográficas, ionizar gases, atravessar corpos 
opacos à luz ordinária etc. As radiações emitidas pelas substâncias radioativas são prin-
cipalmente partículas alfa, partículas beta e raios gama . A radioatividade é uma forma de 
energia nuclear usada em medicina (radioterapia) e consiste no fato de alguns átomos, 
como os do urânio, rádio e tório, serem “instáveis” .
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M2MA
204 Módulo 2
www.Bibliografia
HINRICHS, R . A . e KLEINBACH, M . Energia e Meio Ambiente . São Paulo: Ed . Thomson 
Learning, 2003 . 1ª Edição .
MILLER JR ., G . T ., Ciência Ambiental. São Paulo: Ed . Thomson Learning, 2007 . 
LANDULFO, E . Meio Ambiente & Física. Editora SENAC, 2005 .
TRABALKA, R .& REICHLE, D . E . The Changing Carbon Cycle Springer Verlag, 1986 .
THOMPSON, G ., TURK, J ., Earth Science and the Environment, Ed Thomson Brooks/Cole, 
2006 . 4a . Edição .
Serviço Geológico do Brasil disponível em: <http://www.cprm.gov.br > Acesso em 15/052008
Curso de Licenciatura em física 205
Olá, estudante . 
Nesta unidade vamos definir e ilustrar os conceitos fundamentais de energia e tra-
balho . A energia pode ser encontrada sob muitas formas, como mecânica, radiante, térmi-
ca, elétrica, química, nuclear. Analisaremos as suas transformações de uma forma para 
outra . Vamos ver também que não é possível criar ou destruir energia, mas sim convertê-
la de uma forma para outra em alterações físicas e químicas.Verificaremos também que 
o resultado da transformação de um tipo de energia em outra resulta sempre em menos 
energia capaz de realizar trabalho útil do que inicialmente . 
Bom estudo!
2.1 Energia: definições
Por muitos anos, a energia foi considerada, do ponto de vista físico, como um flui-
do intrinsecamente presente nos diferentes corpos . A interpretação dada aos fenômenos 
físicos pelos cientistas dos séculos XVII e XVIII, que os atribuíam a forças que agiam à 
distância, reduziu o papel das manifestações energéticas a meras conseqüências de tais 
forças, observadas em forma de trabalho mecânico ou de calor . 
Atualmente, o conceito de energia é considerado como o substrato básico do univer-
so e responsável pelos processos de transformação, propagação e interação que nele ocor-
rem . De uma forma geral, este conceito é descrito como a capacidade que corpos e sistemas 
possuem de realizar trabalho ou, sob certas condições, de realizar tarefas úteis.
Um trabalho realizado em um corpo ou sistema de corpos gera um aumento de 
sua energia . Assim, quando se comprime uma mola armazena-se nesse objeto energia 
elástica que se manifesta quando a mola se distende . Nesse processo se produz apenas 
cessão de energia . 
Unidade 2. Energia
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M2MA
206 Módulo 2
2.1.1 Formas de energia e conversões de energia
Com os trabalhos de Isaac Newton (final do século XVII), a noção de força foi in-
troduzida como um agente capaz de alterar o equilíbrio dinâmico ou estático dos corpos . 
Entretanto, seus sucessores substituíram as forças pelas energias a elas associadas como as 
causas fundamentais dos fenômenos físicos . Segundo tais princípios, as trocas de energia 
entre os diferentes sistemas são responsáveis por esses fenômenos e se manifestam em 
diversas formas conversíveis entre si . 
No início do século XX, uma nova teoria determinou a modificação substancial do 
conceito de energia e de suas relações de troca com os corpos. A relatividade física, de-
fendida por Albert Einstein, considera a energia e a massa como diferentes manifestações 
de uma única propriedade . Segundo a teoria, a energia pode passar a outros estados e 
até mesmo converter-se em massa e vice-versa . Em altíssimas temperaturas alcançadas 
durante as reações nucleare, experimentos científicos comprovaram o fenômeno da trans-
formação de massa em energia pura, embora ainda seja impossível provocar a conversão 
em sentido inverso . 
A energia pode se manifestar como energia elétrica do fluxo de elétrons, energia me-
cânica utilizada para mover ou levantar matéria, energia radiante (luminosa ou eletromag-
nética) produzida pelo Sol e por lâmpadas elétricas, energia térmica (calor) quando a energia 
flui de um corpo quente para um corpo frio, energia química armazenada em ligações quí-
micas, entre outra. Todas as formas de energia podem ser classificadas em dois tipos:
a) energia potencial – associada à posição ou configurações que os corpos possuem. 
Se a configuração do sistema se altera, a energia potencial do sistema também pode se alte-
rar . Esse tipo de energia fornece o potencial ou a possibilidade da realização de um trabalho . 
Explosão de uma bomba atômica. Um grande exemplo do fenômeno de 
transformação de massa em energia pura. 
Pedras na mão de uma pessoa é um exemplo de energia potencial 
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Curso de Licenciatura em física 207
física e Meio Ambiente i
b) energia cinética – associada ao movimento de partículas materiais . Quanto mais 
rapidamente um objeto estiver se movendo, maior será a sua energia cinética . Quando o 
objeto está em repouso, sua energia cinética é nula .
Água represada também é um exemplo 
de energia potencial 
um martelo utiliza a energia cinética 
para vencer as forças de atrito que se 
opõem à penetração do prego 
carro em movimento têm energia cinética
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208 Módulo 2
É possível mudar a energia potencial para cinética e vice versa . Experimente deixar 
cair um tijolo sobre o seu pé . 
2.1.2 fontes de energia
Existe uma grande variedade de processos capazes de gerar energia em alguma de 
suas formas . No entanto, as fontes clássicas de energia utilizadas pela indústria tem sido 
de origem térmica, química ou elétrica, que são intercambiáveis e podem ser transforma-
das em energia mecânica . 
A energia térmica ou calorífica origina-se da combustão de diversos materiais e 
pode converter-se em mecânica por meio de uma série de conhecidos mecanismos: as má-
quinas a vapor e os motores de combustão interna tiram partido do choque de moléculas 
gasosas, submetidas a altas temperaturas, para impulsionar êmbolos, pistões e cilindros; 
as turbinas a gás utilizam uma mistura de ar comprimido e combustível para mover suas 
pás; e os motores a reação se baseiam na emissão violenta de gases . O primeiro combus-
tível, a madeira, foi sendo substituído ao longo das sucessivas inovações industriais pelo 
carvão, pelos derivados de petróleo e pelo gás natural . 
Pode-se aproveitar a energia gerada por certas reações químicas, em conseqüên-
cia de interações moleculares. A energia presente em certos processos de soluções áci-
das e básicas ou de sais pode ser captada em forma de corrente elétrica (fundamento das 
pilhas e acumuladores) . 
A energia elétrica pode ser imaginada 
como estando relacionada à energia 
cinética dos elétrons
A energia térmica de um corpo consiste principalmente da 
soma das energias cinéticas de todos os átomos, íons ou 
moléculas
O vento é uma massa de ar que se move.
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Curso de Licenciatura em física 209
física e Meio Ambiente i
De outro modo, a energia elétrica é produzida principalmente pela transformação 
de outras formas de energia . O movimento da água ou a pressão do vapor acionam turbi-
nas que fazem girar o rotor de dínamos ou alternadores para produzir corrente elétrica . 
Esse tipo de energia apresenta como principais vantagens seu fácil transporte e o baixo 
custo . Talvez seja a forma mais difundida no uso cotidiano . 
As crises de energia ocorridas na segunda metade do século XX suscitaram a busca 
de novas fontes . Registraram-se duas tendências aparentemente opostas: projetos e inven-
ções destinados a dominar os processos de reação nuclear e os sistemas de aproveitamento 
de energias naturais não poluentes, como a hidráulica, a solar, a eólica e a geotérmica 
- mais adiante estudaremos de forma detalhada . Como resultado dessas pesquisas obteve-
se um maior índice de aproveitamento dosrecursos terrestres e marítimos em determina-
das regiões do globo.( texto adaptado do material disponível na página eletrônica: http://www.
biomania.com.br/bio/conteudo.asp?cod=1725).
As fontes de energia podem ser classificadas em:
a) Primárias: quando ocorrem livremente na natureza . Ex .: Sol (radiante), petróleo, 
gás natural, xisto, carvão mineral, energia hidráulica, lenha, resíduos de madeira e os pro-
dutos da cana-de-açucar .
As fontes de energia primárias podem ser:
 ■ renováveis: são aquelas que se renovam continuamente na natureza, sendo, por 
isso inesgotáveis . Ex .: energia solar, energia eólica, hídrica, etc . 
 ■ não-renováveis: são aquelas cujas reservas se esgotam, pois o seu processo de 
formação é muito lento comparado com o ritmo de consumo que o ser humano 
faz delas. Ex .: Gás natural, carvão, petróleo bruto, etc . 
b) secundárias: quando são obtidas a partir de outras . Ex .: Óleo diesel, óleo com-
bustível, gasolina (automotiva e de aviação), gás liquefeito de petróleo - GLP, nafta, quero-
sene, gás de xisto, eletricidade, carvão vegetal, álcool etílico .
2.1.3 Qualidade da energia
 Podemos classificar a energia como de alta ou baixa qualidade, de acordo com a 
capacidade da fonte de energia de realizar trabalho. Podemos definir a energia de alta 
qualidade como concentrada e que pode realizar trabalhos úteis . Exemplos de energia de 
alta qualidade são: energia química armazenada no petróleo, a luz solar, a eletricidade 
etc . Por energia de baixa qualidade entende-se a energia que é dispersa e que tem pouca 
capacidade de realizar trabalho útil . 
Exemplo de energia de baixa qualidade é a energia dispersa nos oceanos, maior do 
que a armazenada nos depósitos de petróleo do Oriente Médio, porém, devido a 
sua grande dispersão, não é amplamente utilizada para realizar trabalho. 
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210 Módulo 2
2.2 o conceito de energia através 
da física Clássica
Vamos estudar a partir de agora alguns princípios importantes por trás do conceito 
de energia . 
O que é um sistema? É o objeto do estudo, um meio de reação, uma quantidade de 
um corpo puro, um ser vivo etc . O seu meio externo é o restante do universo, podendo 
estar limitado ao meio ambiente próximo . Na fronteira entre o sistema e o meio externo 
iremos encontrar propriedades que irão determinar quais trocas de energia podem existir 
entre o eles . Desse modo, o sistema pode ser aberto, onde trocas de energia são possíveis 
entre sistema e meio externo; ou isolado, onde nenhuma troca de energia entre sistema e 
meio externo . 
2.2.1 trabalho e energia
Já definimos que energia é a capacidade de realizar trabalho. O trabalho W é a ener-
gia transferida para um objeto, ou a força atuando sobre ele . Assim, trabalho é energia 
transferida . “Realizar trabalho” é o ato de transferir energia . Esse conceito é muito abs-
trato, mas por outro lado, introduz rigor matemático e, portanto, precisão, na definição de 
energia. Para ser bem exato, o que se pode afirmar é que, se alguma força realizou trabalho, 
então houve variação de energia. O trabalho aqui definido se constitui, então, em medida 
do quanto uma forma de energia se altera, ou varia, quando um móvel se desloca de um 
ponto A para o ponto B .
2.2.2 Trabalho realizado por uma força 
num deslocamento linear
Para uma força constante, o trabalho realizado pela força F sobre uma partícula, 
quando esta se desloca linearmente de A até B, é dado pelo produto escalar .
WA→B=F ⋅ ∆r (trabalho realizado por uma força constante)
onde ∆r é o vetor deslocamento de A até B: ∆r=ra− rb
Portanto, trabalho é uma grandeza escalar e seu valor é WA→B=F⋅∆rcosα
Desse modo, se o corpo ao qual a força é aplicada não se move, nenhum trabalho é 
realizado . Esta relação permite determinar o trabalho para levantar um peso, mover uma 
partícula carregada através de um campo magnético etc . 
É interessante relacionar a definição de trabalho com os conceitos de sistemas, pro-
priedades e processos . Desse modo: Um sistema realiza trabalho se o único efeito sobre 
a vizinhança for o deslocamento de um corpo.
A Unidade de medida de trabalho no sistema Internacional de Unidades (S .I .) é 
newton vezes metro ou joule (J) .
2.2.3 Potência 
Potência é taxa com que se realiza trabalho, ou a taxa com que a energia é produzi-
da, utilizada ou transferida, ou seja:
Potência = trabalho realizado = energia utilizada
 tempo gasto tempo gasto
→
→
→ →
→ →
→ →
→
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M2MA
Curso de Licenciatura em física 211
física e Meio Ambiente i
A unidade de medida no S.I. é o joule por segundo, ou watt (W). 
2.2.4 temperatura e calor
O termo temperatura requer uma definição científica diferente de sua comum de-
finição. A temperatura está relacionada com o estado de movimento ou de agitação das 
partículas de um corpo . Assim, podemos dizer que a temperatura é um valor numérico 
associado a um determinado estado de agitação ou movimentação das partículas de um 
corpo, umas em relação às outras . 
a) Unidades de temperatura
A unidade básica de temperatura (no S .I .) é o kelvin (K). Um kelvin é rigorosamente 
definido como sendo 1/273,15 da temperatura do ponto triplo da água (o ponto onde água, 
gelo e vapor de água coexistem em equilíbrio) . A temperatura 0º K é chamada zero abso-
luto e corresponde ao ponto onde as moléculas e átomos possuem a menor quantidade 
possível de energia térmica . Outras escalas termométricas comumente usadas são: Celsius, 
Fahrenheit, Réaumur e Rankine . 
Observe a tabela onde são apresentadas as relações de conversão entre elas. 
Conversão de algumas escalas termométricas.
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212 Módulo 2
Por outro lado, quando colocamos em contato térmico dois corpos de temperatura 
diferentes, notamos que esses buscam uma situação de equilíbrio térmico, no qual as tem-
peraturas tornam-se iguais . Para que isso aconteça, o corpo de maior temperatura fornece, 
ao de menor temperatura, certa quantidade de energia térmica . Isso provoca uma dimi-
nuição em sua temperatura e um aumento na temperatura do corpo inicialmente mais frio, 
até que se estabeleça o equilíbrio térmico . Essa energia térmica, quando e apenas enquanto 
está em trânsito, é denominada calor, que é a energia térmica em trânsito de um corpo para 
outro ou de uma parte de um corpo para outra parte desse corpo, esse trânsito é provocado 
por uma diferença de temperatura . Se você segura neve em sua mão, a energia térmica será 
transferida (calor) de sua mão para a neve, produzindo uma sensação de frio . 
2.2.5 Princípio da conservação de energia 
Observações científicas têm demonstrado que na transformação de uma forma de 
energia em outra, a energia não é criada e nem destruída . Em qualquer alteração física ou 
química, a entrada e saída de energia são sempre as mesmas, o que caracteriza a Lei da 
Conservação da Energia. 
2.2.6 Conversão de energia; equivalências de energia
Durante cada conversão de energia, a energia de alta qualidade é degradada e flui 
no ambiente como calor de baixa qualidade. Desse modo, podemos definir a eficiência de 
um processo de conversão de energia como:
eficiência= trabalho útil ×100%
 total de entrada particular de energia num sistema
A neve e a mão tendem a uma mesma temperatura.
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M2MA
Curso de Licenciatura em física 213
física e Meio Ambiente i
2.2.7 Calor, trabalho e a Primeira Lei da Termodinâmica 
A energia interna (Ei) é uma propriedade intrínseca dos sistemas . Ela está nos siste-
mas, mas trabalho (W) e calor (Q) não são propriedades de um sistema, apenas podem ser 
trocados para dentro e fora do sistema . 
Em todos os processos físicos que ocorrem na natureza há conservação de ener-
gia . A energia transfere-se e transforma-se noutra forma diferente, mas a energia total 
de um sistema isolado conserva-se . As transferências de energia podem traduzir-se em 
variações de energia interna dos sistemas (∆Ei) . A variação da energia interna do sistema é 
conseqüênciado balanço energético entre calor e trabalho . Quando fornecemos um calor 
Q a um sistema e ele não realiza nenhum trabalho, sua energia interna aumenta de valor 
igual a Q; isto é, ∆Ei = Q . Quando um sistema realiza um trabalho W de expansão contra 
suas vizinhanças e nenhum calor é fornecido ao sistema neste processo, a energia deixa 
o sistema e sua energia interna diminui . Ou seja, quando W é positivo, ∆Ei é negativo e 
vice-versa . Logo ∆Ei = −W . Quando ocorre uma transferência de calor juntamente com o 
trabalho realizado, a variação total da energia interna, conhecida como Primeira Lei da 
Termodinâmica, é dada por: ∆Ei = Q −W
2.2.8 Segunda Lei da Termodinâmica
Na transformação de uma forma de energia em outra, ocorre uma diminuição na quali-
dade ou capacidade da energia de realizar trabalho útil. Se verifica que alguma quantidade de 
energia útil sempre se degrada em energia de baixa qualidade, mais dispersa e menos útil . Essa 
energia degradada geralmente toma a forma de calor diluído em um meio a uma baixa tem-
peratura . Esse fato descreve que não podemos reciclar ou reutilizar energia de alta qualidade 
para realizar trabalho . Esse conceito caracteriza a Segunda Lei da Termodinâmica . 
Eficiência de energia de alguns sistemas.
Esquema de trocas de energia entre o sistema e sua vizinhança 
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M2MA
214 Módulo 2
saiba mais
Ao dirigir um carro, somente de 20% a 25% da energia química de alta qualidade disponí-
vel na gasolina são convertidos em energia mecânica e elétrica . Entre 75% a 80% restantes 
são degradados em calor de baixa qualidade que são liberados nos meio ambiente . Desse 
modo, grande parte do dinheiro gasto com combustível não é utilizado para mover o veí-
culo, mas se perde em calor . 
Podemos observar que a Segunda Lei da Termodinâmica descreve a direção dos 
processos físicos . Existem processos que têm em comum o fato de ocorrerem em um sen-
tido e não, espontaneamente, no sentido oposto . São processos de mão única . Em termos 
mais técnicos, eles são chamados de processos irreversíveis, pois não se revertem esponta-
neamente. Por exemplo, é costume verificar que o calor flui de um corpo quente para um 
corpo frio, e nunca no sentido inverso por si próprio .
Para refletir
Você pode estar pensando: mas numa geladeira é fácil verificar que o calor flui de uma 
fonte fria para uma fonte quente! 
Em sua geladeira, a todo instante passa calor de dentro para fora, resfriando o interior e 
aquecendo o exterior . Mas isso só acontece se a geladeira estiver ligada na tomada e fun-
cionando, isto é, consumindo energia elétrica . O processo, portanto, não é espontâneo, tem 
de ser induzido .
Copos que se quebram, pilhas que descarregam e gelo que derrete são exemplos de 
processos irreversíveis . A Segunda Lei da Termodinâmica expressa essa mania da natu-
reza de estabelecer um sentido para os processos naturais espontâneos . 
Na verdade, é quase impossível encontrar um processo físico completamente reversível . 
Na vida prática, os processos físicos não são ideais e, portanto, sempre tem algum grau de ir-
reversibilidade. Em geral, a irreversibilidade é atribuída às forças de atrito (sólidos e fluidos), à 
transferência de calor com diferença finita de temperatura, à expansão ou compressão rápida de 
um fluido, à expansão livre de um fluido, à mistura espontânea de gases diferentes etc.
E antes de terminarmos a unidade, vamos pensar sobre: o que é entropia?Entropia 
é um conceito utilizado para medida da desordem de um sistema . É uma propriedade do 
sistema . Já sabemos que podemos alterar a energia de um sistema pela realização de um 
trabalho sobre ele, e pela adição ou subtração de calor . Ao adicionarmos calor, a desordem 
do sistema aumenta, assim como sua entropia. Se o calor flui para fora do sistema, a desor-
dem diminui, assim como a entropia .
Copos que se quebram ao cair. Pilhas que descarregam. Gelo que derrete na bebida. 
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Curso de Licenciatura em física 215
física e Meio Ambiente i
sugestão de atividades
1 .Baseando-se na Segunda Lei da Termodinâmica, explique por que um barril de petróleo 
pode ser utilizado apenas uma vez como combustível . 
2 . Explique, brevemente, a seguinte declaração: “matéria pode ser reciclada, mas energia não .”
3 . Faça um texto expondo sua opinião sobre como podemos obter mais energia de alta 
qualidade de forma rápida e barata .
glossário 
 ■ Alternador: é uma máquina que transforma energia mecânica em energia elétrica . O 
nome alternador é devido ao tipo de corrente elétrica gerada: corrente alternada .
 ■ Combustão: também chamada de queima, é uma reação química exotérmica entre uma 
substância - o combustível- e um gás, usualmente o oxigênio - o comburente - com libe-
ração de calor .
 ■ dínamo: é um aparelho que gera corrente elétrica contínua convertendo energia mecâ-
nica em elétrica, através de indução eletromagnética .
 ■ gás ideal: Um gás pode ser considerado ideal quando o volume disponível para cada 
molécula é igual ao volume do recipiente onde o gás se encontra. Nestas condições as 
interações entre as moléculas constituintes desse gás são consideradas inexistentes.
 ■ Reação exotérmica: é uma reação química cuja energia total dos seus produtos é menor 
que a de seus reagentes, ou seja, ela libera energia em forma de calor .
 ■ Termodinâmica: é a parte da Física que estuda os fenômenos relacionados ao trabalho, 
energia, calor, entropia e as leis que governam os processos de conversão de energia .
Um baralho com as cartas dispostas em ordem aleatória é um sistema caracterizado por uma 
grande entropia.
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216 Módulo 2
saiba mais 
Com as sugestões a seguir, você aprende pesquisando na web:
http://educar.sc.usp.br/ciencias/fisica/mf8.htm
http://www.brasilescola.com/fisica/temperatura-calor.htm
http://www.2ndlaw.com/
http://www.entropysite.com/students_approach.html
http://www.physlink.com/
http://www.biomania.com.br/bio/conteudo.asp?cod=1725 
http://pt.wikibooks.org/wiki/Curso_de_termodin%C3%A2mica:Primeira_lei
http://www.seara.ufc.br/donafifi/entropia/entropia1.htm
não deixe de ler também: 
SCHEIDER, E ., KAY, J ., Ordem a partir da desordem: a termodinâmica da complexidade 
biológica . In: O Que é Vida? 50 anos depois . São Paulo: Fundação Editora Unesp, 1997 . 
Bibliografia 
HINRICHS, R . A . & KLEINBACH, M . Energia e Meio Ambiente . . São Paulo: Ed . Thomson 
Learning, 2003 . 1ª . Edição
YOUNG, H . D . & FREEDMAN, R . A ., SEARS & ZEMANSKY . Física II: Termodinâmica e 
Ondas. São Paulo: Adisson Wesley, 2003. 10a. edição.
MILLER JR ., G . T ., Ciência Ambiental. Tradução da 11a edição norte-americana . São Paulo: 
Ed . Thomson Learning, 2007 .
LEE, J . F ., & SEARS, F . W ., Termodinâmica, Rio de Janeiro: Editora ao Livro Técnico S .A . , 1969 . 
www.
Curso de Licenciatura em física 217
Olá, caro(a) aluno(a) .
Nesta unidade vamos estudar os princípios científicos envolvidos nas principais 
fontes energéticas atuais . É importante que estudemos a caracterização de diferentes fon-
tes de energia, seus efeitos sobre nosso ambiente e sua importância em termos de desen-
volvimento sócio-econômico . O estudo sobre as tecnologias energéticas atuais e suas im-
plicações de uso quanto ao impacto econômico-ambiental se torna pertinente em meio às 
atuais discussões na mídia sobre o tema preservação do meio ambiente. A melhor forma 
de entender as fontes energéticas atuais e suas conseqüências é entender os princípios 
científicos que as envolvem. 
Bom estudo!
3.1 Geração de energia
A energia sempre foi algo essencial à vida humana. Podemos afirmar que nos primór-
dios da civilizaçã, nas sociedades primitivas, seu custo era praticamente zero . A energia era 
obtida da lenha das florestas para aquecimento, cozer alimentos, para metalurgia e fabrica-
ção de utensílios de cerâmica, por exemplo . Durante esta época, o homem pôde gerar, trans-
mitir e consumir energia sem alterar significativamente o ambiente global. Pouco a pouco, o 
consumo de energia foi crescendotanto que outras fontes se tornaram necessárias . 
Durante a época conhecida como Idade Média, as energias de cursos d´água e dos 
ventos foram utilizadas, mas em quantidades insuficientes para suprir as necessidades de 
populações crescentes, sobretudo nas cidades. Nesta época, a apropriação intensa das fon-
tes disponíveis, como foi o caso da lenha, provocou episódios de escassez que perduraram 
até a Revolução Industrial . 
Unidade 3. 
Fontes de Energia
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218 Módulo 2
A inserção de uma nova tecnologia conhecida como máquina a vapor provocou 
uma ruptura no sistema, exigindo uma nova ordem de grandeza no uso da energia . 
Além do carvão, como substituto da lenha a partir do século XIX, o uso generalizado do 
petróleo, junto com a eletricidade, viria assentar, no século XX, as bases da moderna civi-
lização industrial, fundamentando grande parte da economia no uso de recursos fósseis 
que a natureza levou milhões de anos para produzir. 
Depois da 2ª Guerra Mundial, como recurso adicional para atender à expansão cres-
cente do consumo de energia, foi desenvolvido o aproveitamento tecnológico da energia 
nuclear como fonte geradora de eletricidade . Desse período em diante, a rapidez e ampli-
tude das atividades econômicas demonstrariam a chegada a um nível tão crescente de 
consumo dos recursos naturais que, pela primeira vez na história, o equilíbrio ecológico 
essencial para a vida humana passou a ser seriamente comprometido .
Na avaliação das fontes energéticas, é de suma importância a descrição da quantida-
de utilizável de energia de alta qualidade ou sua energia líquida . Essa energia líquida re-
presenta a quantidade total de energia disponível de um recurso energético menos a ener-
gia necessária para encontrar, extrair, processar e levar essa energia aos consumidores . 
As chamadas fontes energéticas apresentam-se em diferentes formas na natureza, 
em diferentes níveis de refinamento que vão da lenha à nuclear. Em uma avaliação global 
de um sistema energético é conveniente expressar todas as formas de energia de uma ma-
neira unificada.
3.2 energia solar 
A energia solar é produzida da radiação solar . Energia solar tem sido usada por 
milhares de anos e de diversas maneiras . A vida na Terra não poderia existir sem a ela .De 
forma direta ou indireta, o Sol é responsável por quase todas as fontes de energia encontra-
das na Terra . Todo o carvão, óleo e gás natural são resultado da deteriorização matéria or-
gânica através de milhares anos . Em outras palavras, os combustíveis fósseis preliminares 
usados hoje são, na realidade, energia solar armazenada . O calor do Sol igualmente con-
duz o vento, que é outra fonte de energia renovável (veremos mais sobre isso adiante) . O 
vento se desloca porque a atmosfera da Terra é aquecida desigualmente pelo Sol . As únicas 
fontes de energia que não possuem origem na energia solar são: a energia produzida pelo 
decaimento radioativo dos elementos químicos no núcleo de terra, as marés dos oceanos, 
que são influenciadas pela força gravitacional da Lua, a fusão e fissão nuclear.
Os métodos de captação de energia solar classificam-se em direta ou indireta. Na 
captação direta há apenas uma transformação para fazer da energia solar um tipo de ener-
gia útil ao ser humano . O calor obtido através da incidência direta da energia solar sobre 
uma superfície escura (princípio de funcionamento dos aquecedores solares) e utilizado 
para aquecer uma determinada quantidade de água é um exemplo de captação direta . 
Por outro lado, quando há mais de uma transformação da energia solar captada para que 
surja energia utilizável, temos a característica da captação indireta . Como exemplo, temos 
os sistemas que controlam automaticamente cortinas, de acordo com a disponibilidade 
de luz do Sol .
A captação de energia também se classifica em passiva e ativa . sistemas passivos 
são geralmente diretos, apesar de algumas vezes envolverem fluxo em convecção, que é 
tecnicamente uma conversão de calor em energia mecânica . sistemas ativos são sistemas 
que apelam ao auxílio de dispositivos elétricos, mecânicos ou químicos para aumentar a 
efetividade da coleta . Sistemas de captação indiretos são quase sempre também ativos .
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física e Meio Ambiente i
No primeiro gráfico o aproveitamento da iluminação natural e do calor para aque-
cimento de ambientes, denominado aquecimento solar passivo, decorre da penetração ou 
absorção da radiação solar nas edificações, reduzindo-se, com isso, as necessidades de ilu-
minação e aquecimento . Assim, um melhor aproveitamento da radiação solar pode ser 
feito com o auxílio de técnicas mais sofisticadas de arquitetura e construção. O segundo es-
quema exemplifica o aproveitamento térmico para aquecimento de fluidos. feito com o uso 
de coletores ou concentradores solares. Os coletores solares são mais usados em aplicações 
residenciais e comerciais (hotéis, restaurantes, clubes, hospitais etc .) para o aquecimento 
de água (higiene pessoal e lavagem de utensílios e ambientes) . Na Figura, o ar transfere 
calor do coletor para ambiente habitado ou para dentro da caixa escura (cheia de pedras) 
que funciona como armazenadora de calor . 
3.2.1 Características da radiação solar 
O clima da Terra é controlado pela quantidade de radiação solar incidente sobre 
o planeta e a fração de energia que é absorvida. A densidade média do fluxo de energia 
proveniente da radiação solar é de 1354 W/m2, quando medida num plano perpendicular 
à direção da propagação raios solares situado no topo da atmosfera terrestre . Este número, 
denominado constante solar, varia minimamente durante o tempo .
A radiação solar fornece anualmente para a atmosfera terrestre cerca de 1,5 x 1018 
kiloWatt hora (kWh) de energia. O Sol do meio-dia de um dia de verão abastece um metro 
quadrado da superfície com aproximadamente 1 kW de energia. A quantidade total de 
energia recebida pela Terra é determinada pela projeção da sua superfície sobre um plano 
perpendicular à propagação da radiação (πR2, onde R é o raio da Terra) . Como o planeta 
gira em torno do seu eixo, esta energia é distribuída, embora de forma desigual, sobre toda 
a sua superfície (a área da superfície do planeta que recebe a radiação é 4πR2) . Assim, a 
fração da constante solar recebida por unidade de área da superfície terrestre é:
 πR2/4πR2 = 1/4 da constante solar (~ 343 W/m2) . 
A energia solar recebida em um determinado local da superfície terrestre pode va-
riar, dependendo da latitude, da estação, do horário do dia e do grau de nuvens e gases 
poluentes presentes na atmosfera . 
Exemplos de sistema de captação solar passivo e ativo. 
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220 Módulo 2
Órbita da Terra ao redor do Sol (quase circular), onde são evidenciadas as estações 
do ano e a inclinação do eixo da Terra (23,5o em relação ao plano de movimento orbital) . De-
vido a estes fatores astronômicos, o Pólo Norte do planeta está inclinado em direção ao Sol 
durante o verão do hemisfério norte e na direção oposta no inverno . Deste modo o hemisfé-
rio norte recebe uma maior quantidade de radiação solar durante o verão do que durante o 
inverno, chegando a um máximo no solstício de verão, que acontece no dia 21 de junho .
3.2.2 - Visão geral do aquecimento solar contemporâneo 
Entre os vários processos de aproveitamento da energia solar, os mais usados atual-
mente é o aquecimento de água e a geração fotovoltaica de energia elétrica . No aquecimen-
to de água, são comumente utilizados coletores solares . Os coletores são aquecedores de 
fluídos (líquidos ou gasosos) e são classificados em coletores concentradores e coletores 
planos em função da existência ou não de dispositivos de concentração da radiação solar .
O calor do sol, captado pelas placas do aquecedor solar, é transferido para a água 
que circula no interior de suas tubulações, tipicamente feitos de cobre. O fluído aquecido 
é mantido em reservatórios termicamente isolados atéo seu uso final (água aquecida para 
banho, ar quente para secagem de grãos, gases para acionamento de turbinas etc .) . Um 
sistema básico de aquecimento de água por energia solar é composto de coletores solares, 
as placas, e reservatório térmico, o Boiler . 
Em sistemas convencionais, a água circula entre os coletores e o reservatório térmi-
co através de um sistema natural chamado termossifão . Nesse sistema, a água dos coleto-
res fica mais quente e, portanto, menos densa que a água no reservatório. Assim a água fria 
“empurra” a água quente gerando a circulação . Esses sistemas são chamados da circulação 
natural ou termossifão . A circulação da água também pode ser feita através de motobom-
bas em um processo chamado de circulação forçada ou bombeado, e são normalmente 
utilizados em piscinas e sistemas de grandes volumes .
A conversão direta da energia solar em energia elétrica ocorre pelos efeitos da ra-
diação (calor e luz) sobre determinados materiais, particularmente os semicondutores . 
Entre esses, destacam-se os efeitos termoelétrico e fotovoltaico . O primeiro caracteriza-se 
pelo surgimento de uma diferença de potencial, provocada pela junção de dois metais, em 
condições específicas. No segundo, os fótons contidos na radiação solar são convertidos 
em energia elétrica, por meio do uso de células solares .
movimento da Terra em torno do Sol
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física e Meio Ambiente i
Quando a pequena célula solar fica exposta ao Sol, os elétrons (círculos vermelhos) 
libertam-se do seu núcleo deslocando-se . Eles movem-se para a superfície da placa solar (a 
azul escuro). As duas extremidades da célula solar estão ligadas por um fio condutor elé-
trico . Desse modo, o movimento dos elétrons gera uma corrente elétrica que ira alimentar 
algum dispositivo . 
A energia solar fotovoltaica é a energia da conversão direta da radiação em eletrici-
dade, efeito fotovoltaico . Esse efeitoé o aparecimento de uma diferença de potencial nos ex-
tremos de uma estrutura de material semicondutor, produzida pela absorção da radiação 
solar . A tecnologia fotovoltaica está se tornando cada vez mais competitiva, tanto porque 
seus custos estão decrescendo, quanto porque a avaliação dos custos das outras formas 
de geração está se tornando mais real, levando em conta fatores que eram anteriormente 
ignorados, como a questão dos impactos ambientais .
38 – sistema de aquecimento solar de água - 
Fonte: http://www.soletrol.com.br/educacional/comofunciona.php
Esquema de funcionamento de uma célula solar. 
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222 Módulo 2
3.2.3 Vantagens e desvantagens da energia solar
Vantagens:
 ■ Não polui durante seu uso;
 ■ As centrais de geração necessitam de manutenção mínima; 
 ■ Os painéis solares são a cada dia mais potentes, ao mesmo tempo que seu custo 
vem decaindo . Isso torna cada vez mais a energia solar uma solução economica-
mente viável; 
 ■ A energia solar é excelente em lugares remotos ou de difícil acesso, pois sua ins-
talação em pequena escala não obriga enormes investimentos em linhas de trans-
missão . 
Desvantagens:
 ■ Necessidade de acesso ao Sol a maior parte do tempo;
 ■ Baixa eficiência;
 ■ Necessita de um sistema de armazenamento de energia térmica ou elétrica . 
3.3 energia de fontes hídricas
Energia hidráulica ou energia hídrica é obtida a partir da energia potencial de uma 
massa de água. Ela se manifesta na natureza na forma de fluxos de água, como rios e lagos 
e pode ser aproveitada por meio de um desnível ou queda d’água . Na verdade, é possível 
considerar a energia hidráulica como uma forma indireta de energia solar renovável . A 
energia solar evapora a água e a deposita, na forma de água e neve, em outras áreas por 
meio do ciclo da água (volte ao item 1 .2 .1 da unidade 1 para ver o ciclo da água), que poste-
riormente correrá de elevações mais altas para as mais baixas nos rios e córregos. 
Painéis de captação da energia solar da Estação Espacial Internacional 
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Curso de Licenciatura em física 223
física e Meio Ambiente i
Historicamente, a energia hidráulica tem sido usada para fazer a água gerar trabalho 
útil como moer grãos, serrar madeira e fornecer energia para outras tarefas . O uso da energia 
hidráulica foi uma das primeiras formas de substituição do trabalho animal pelo mecânico . 
O monjolo, máquina rudimentar feito de troncos de árvores é feito para bater grãos, 
foi introduzido no Brasil no período Colonial, é muito comum encontrá-los em proprie-
dades rurais . O seu princípio de funcionamento inclui balancim em movimento oscilante 
através do qual o enchimento repetido por um filete de água sobre uma cavidade existente 
em uma de suas extremidades, e o posterior esvaziamento que ocorre em conseqüência da 
inclinação da haste, resultante do enchimento . 
A roda de água ou roda d’água é um dispositivo circular montado sobre um eixo, 
contendo na sua periferia aletas dispostas de modo a poder aproveitar a energia hidráuli-
Utiliza-se a energia hídrica no Brasil em grande escala devido aos 
grandes mananciais de água existentes.
Monjolo
Roda de água ou roda d’água 
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224 Módulo 2
ca . A água é conduzida por um canal e derramada na parte alta da roda, de modo a encher 
as aletas à medida que estas passam pela parte alta da roda . Isso faz com que um dos lados 
da roda fique mais pesado e faça a roda girar. Este tipo de roda extrai principalmente a 
energia potencial da água uma vez que faz o aproveitamento deslocando a água de um 
ponto mais alto para um ponto mais baixo .
Ao contrário das demais fontes de energia renováveis, a energia hidráulica já apre-
senta uma parcela significativa da matriz energética mundial e possui tecnologias devida-
mente consolidadas . 
3.3.1 - Sistemas hidrelétricos de grande e pequena escala
Hidroeletricidade representa a conversão de energia hidráulica em energia elétrica . 
No século XVIII, o desenvolvimento do domínio da eletricidade através de descobertas e 
invenções como o dínamo, o alternador, a lâmpada e do motor elétrico possibilitou a con-
versão de energia mecânica em energia elétrica, que por sua vez permitia a conversão di-
reta em diversos outros tipos de energia, atendendo a uma série de necessidades . Os siste-
mas comerciais de produção de eletricidade apareceram por volta de 1881, após a invenção 
da lâmpada elétrica por Thomas Edison . As primeiras centrais de geração e distribuição 
elétricas produziam corrente contínua, acionadas por máquinas a vapor, e destinavam-se 
a iluminação de centros consumidores próximos (dentro da própria localidade onde se 
situava a usina .) . O desenvolvimento de motores, geradores e o aperfeiçoamento dos pro-
cessos de distribuição permitiram expandir o uso da eletricidade nos ramos comercial e 
industrial . Através da introdução do método de transmissão em corrente alternada e alta 
tensão, o transporte de eletricidade a longas distâncias passou a ser viável, com redução de 
perdas de energia, favorecendo também o uso da hidroeletricidade . Atualmente, a energia 
hidráulica é responsável por aproximadamente metade de toda a eletricidade gerada por 
meio da utilização de recursos naturais renováveis . 
As primeiras usinas de energia hidroelétrica para a produção de eletricidade foram 
construídas na Inglaterra em 1880 . Nelas, a energia elétrica tem como fonte principal a 
energia proveniente da queda de água represada a uma determinada altura . O método 
comum é construir uma alta barragem atravessando um grande rio para criar um reser-
vatório . Parte da água armazenada no reservatório é liberada para passar por enormes 
tubulações a taxas de vazão controladas. Desse modo, a energia potencial que a água tem 
na parte alta da represa é transformada em energia cinética, que faz com que as pás de 
uma turbina girem, acionando o eixo do gerador, produzindo energia elétrica através da 
ocorrência de interações eletromagnéticas. Você estudará os princípios físicos por trás do 
funcionamento